Optimiert Energieverbrauch, Drehmoment und Lebensdauer:

Federdruckbremse als Gesamtsystem

knd001_Bild1Beim Bremsen wurde bisher kaum übers Energiesparen nachgedacht. Zukünftig dürfte sich das jedoch ändern. Steigende Strompreise verlangen ebenso nach energetisch optimierten Bremslösungen wie Motoren höherer Energieeffizienzklassen, bei denen die Hersteller auf jedes zusätzliche Watt achten müssen, um den Anforderungen zu genügen. Federdruckbremsen einer neuen Generation tragen dieser Entwicklung nun im besonderen Maße Rechnung. Sie erreichen Energieeinsparungen von bis zu 75 %, überzeugen durch hohe Drehmomente und sind obendrein auch noch ausgesprochen langlebig. Dass gleichzeitig bei Produktion, Werkstoffauswahl und Recycling viel Wert auf Nachhaltigkeit und Umweltschutz gelegt wird, ist ebenfalls positiv zu vermerken.

Federdruckbremsen sind ideale Sicherheitsbremsen wenn es darum geht, bewegte Massen oder Lasten im Stillstand sicher zu halten. Die gängigste Bauart ist die elektromagnetische, ruhestrombetätigte Federdruckbremse, die üblicherweise an der B-Lagerseite eines Elektromotors angebaut wird. Unbestromt drücken Federn gegen die Ankerscheibe der Bremse. Die Reibbeläge des Rotors, der über eine Verzahnung mit der Motorwelle verbunden ist, werden zwischen dieser Ankerscheibe und der Anbaufläche der Bremse auf der Motorrückseite eingespannt. Wird die Spule der Bremse bestromt, baut sich ein Magnetfeld auf, das die Ankerscheibe anzieht und so den Rotor mit den Reibbelägen freigibt. Im energielosen Zustand ist die Bremse geschlossen. Durch dieses Prinzip sind Federdruckbremsen ausfallsicher (fail-safe) unter allen Betriebsbedingungen, einschließlich Not-Aus und Stromausfall oder einer Beschädigung der Bremse, wie beispielsweise durch Bruch der Energiezuleitung oder Ausfall der Magnetspule. Auch dann bleibt die Brems- und Haltefunktion erhalten.

Definierter Luftspalt

Funktionsweise und Eigenschaften einer Federdruckbremse basieren damit prinzipiell auf einfachen physikalischen Zusammenhängen: So verhält sich die magnetische Kraft proportional zum magnetischen Fluss; der wiederum ist proportional sowohl zum aufgenommenen Strom als auch zur magnetischen Permeabilität, also zum Kehrwert des magnetischen Widerstands. Letzterer wird praktisch ausschließlich von der Größe des Luftspalts bestimmt. Das bedeutet, je größer der Luftspalt ist, desto kräftiger muss das Magnetfeld sein. In Folge dessen muss mehr Energie fürs Schalten aufgewendet werden; bei kleinerem Luftspalt ist der Energieaufwand (für das Schalten) deutlich geringer.

Die Sicherheitsbremse verbraucht deutlich weniger Energie als bisher übliche Systeme und wird so umweltverträglich wie möglich hergestellt. Bild: Kendrion (Villingen) GmbH

Die Sicherheitsbremse verbraucht deutlich weniger Energie als bisher übliche Systeme und wird so umweltverträglich wie möglich hergestellt.

Genau bei diesem physikalischen Zusammenhang setzten die Bremsenspezialisten von Kendrion (vgl. Kastentext) an, als sie mit der Entwicklung der KOBRA (Kendrion Optimized Brake) starteten. Dabei ist es ihnen gelungen, frei und unabhängig von bereits bestehenden Produkten eine neuartige energieeffiziente Sicherheitsbremse zu entwickeln (Bild 2). Die Konstrukteure haben sich dazu vor allem die Größe des Luftspalts vorgenommen, um mit möglichst geringer elektrischer Leistung eine möglichst große Kraft, also ein hohes Bremsmoment oder Drehmoment zu erreichen.

Einsparpotenzial beim Energieverbrauch

Bei konventionellen Federdruckbremsen gilt es beim Luftspalt, d.h. beim Abstand zwischen Reibscheibe und Ankerplatte, immer die fertigungsbedingten Toleranzen zu berücksichtigen, die üblicherweise um die 0,16 mm betragen. Daraus ergeben sich für marktübliche Bremsen zum Beispiel maximale Neuluftspalte von 0,3 mm, was in der Bremsenauslegung reduzierte Federkräfte mit daraus resultierendem geringeren Bremsmoment zur Folge hat. Hier schlummert Optimierungspotenzial, das jetzt erstmals erschlossen werden konnte: Die Grundlage dafür liefert ein in der Produktion mit hoher Genauigkeit eingestellter und überwachter Neuluftspalt. Hierbei werden die für den Abstand zuständigen Hülsen in einem zum Patent angemeldeten Verfahren auf Maß eingepresst. Toleranzen, die bei konventionellen Bremssystemen zu berücksichtigen sind, werden dadurch zuverlässig vermieden. Die Luftspalttoleranzen reduzieren sich von bei üblichen Bremsen vorliegenden 0,16 mm (Neuluftspalt: 0,13-0,29mm) auf 0,04 mm (Neuluftspalt: 0,13 bis 0,17 mm).

Die definierte und deutlich kleinere Luftspalttoleranz und der dadurch bedingte niedrigere magnetische Widerstand bringen gleich mehrere Vorteile. Dies kann beispielsweise entweder zur Erhöhung des Drehmoments, zur Verringerung des Haltestroms oder auch zur Verlängerung der Lebensdauer genutzt werden. So arbeiten die neuen Bremsen im Vergleich zu bisher marktüblichen Lösungen mit bis zu 80 % mehr Drehmoment oder dreifacher Lebensdauer. Da durch den niedrigeren magnetischen Widerstand die Leistungsaufnahme des Haltemagneten um etwa ein Drittel sinkt (z.B. von bisher 29 auf jetzt 19 W), entsteht weniger Wärme, was die Alterung der Komponenten verringert.

Wettbewerbsvergleich bezüglich der Leistungsdichte Bild: Kendrion (Villingen) GmbH

Wettbewerbsvergleich bezüglich der Leistungsdichte

Besonders viel Energie lässt sich einsparen, wenn die Bremse noch mit einem Elektronikmodul (ESM, Energiesparmodul) zur leistungsreduzierten Ansteuerung kombiniert wird, welches die marktüblichen Gleichrichtermodule ersetzt und damit im Wesentlichen kostenneutral eingesetzt werden kann. In diesem Fall wird der Haltestrom bei angezogener Ankerscheibe, also bei Luftspalt 0, auf das zulässige Mindestmaß reduziert, weil zum Halten nur ein schwaches Magnetfeld notwendig ist. Das spart über die gesamten Zeit des Motorbetriebs erhebliche Mengen Strom ein. Zusätzlich erschließen sich interessante Möglichkeiten, weil sich die Bremse entweder hinsichtlich Energiesparen (Nutzung der geringeren Haltekraft bei kleinerem Spalt) oder maximaler Bremsleistung optimieren lässt. Die höhere Haltekraft erlaubt stärkere Federn, was mehr Bremskraft ergibt und zwar bei gleichem Stromfluss. Während die Standardausführung mit 8 Nm Drehmoment und normaler Gleichrichter-Ansteuerung 9 MJ Gesamtbremsenergie bei einer Leistungsaufnahme von 19 W liefert, arbeitet die 8-Nm-Bremse mit ESM entweder mit 25 MJ Gesamtbremsenergie bei 8,1 W Leistungsaufnahme oder 16 MJ bei 4,8 W. In vielen Fällen lässt sich bei Bedarf eine kleinere Bremse einsetzen, mit direkter Kosteneinsparung und möglichem reduzierten Aufwand in der Lagerhaltung.

Flexibel, zuverlässig und kompakt

Von den in jedem Fall erzielbaren Energieeinsparungen profitieren alle Anwendungsbereiche, bei denen Sicherheitsbremsen eingesetzt werden, angefangen von Aufzügen über Hängebahnen z.B. in der Automobilfertigung bis hin zur Robotik. Ein Blick in die Praxis zeigt, dass beispielsweise bei Industrierobotern knapp 30 % des Gesamtenergieverbrauchs für das Offenhalten der Bremsen verwendet werden. Hier auf energieeffiziente Bremslösungen zu setzten, lohnt sich also durchaus. Beispiele aus der Automobilbranche liefern ähnliche Ergebnisse: bei Elektrohängebahnen, bei denen nur in seltenen Fällen die Bremsen schließen, lassen sich Energieeinsparungen von über 50% erreichen.

Die neuen Bremssysteme bieten jedoch noch mehr Eigenschaften, von denen der Anwender profitieren kann. Da der Hersteller das Einlaufen der Bremsen und das anschließende Überprüfen übernimmt, kann man sicher sein, dass die Bremse von Anfang an das gewünschte Drehmoment bringt. Das gilt auch, wenn am Einsatzort extreme Temperaturen herrschen, denn im Gegensatz zu konventionellen Systemen, bei denen die Daten üblicherweise nur für Umgebungstemperaturen von 20 °C angegeben werden, erhält der Anwender bei den KOBRA-Systemen die Nominalwerte für den geforderten Betriebstemperaturbereich. Der eigene Testaufwand lässt sich so deutlich reduzieren.

Die „grüne“ Bremsentechnik, die mit dem Kendrion-eigenen greensigned-Label ausgezeichnet wurde, bringt vielfältigen Nutzen. Bild: Kendrion (Villingen) GmbH

Die „grüne“ Bremsentechnik, die mit dem Kendrion-eigenen greensigned-Label ausgezeichnet wurde, bringt vielfältigen Nutzen.

Da die neuen Bremssysteme als „Baukastensystem“ konzipiert sind, bieten sie ein hohes Maß an Flexibilität. Unterschiedliche Spulen und Reibscheiben stehen ebenso zur Verfügung wie Module für alle typischen Motorspannungen (400 VAC, 230 VAC, 208 VAC, 120 VAC und 24 VDC). Dabei werden alle für Sicherheitsbremsen üblichen Drehmomente zwischen 0,2 und 300 Nm abgedeckt. Beim Einsatz entsprechender Reibbeläge lassen sich die Systeme auch als Arbeitsbremse nutzen, z.B. beim Abbremsen von Achterbahnen etc.. Natürlich ist auch eine Handlüftung möglich und mit zusätzlichen Dichtungen werden die Anforderungen der Schutzart IP54 und IP65 erfüllt. Lieferzeiten von üblicherweise 48 Stunden dürften viele Anwender ebenfalls schätzen. Es lohnt sich aber auch noch aus anderen Gründen, auf die energetisch optimierten Bremssysteme zu setzen: Über 90 % der eingesetzten Bauteile lassen sich recyceln und das reduzierte Transportvolumen der leistungsgesteigerten Bremsen führt zu weniger Kohlendioxid-Emissionen beim Transport. Beides kommt natürlich ebenfalls der Umwelt zugute. Die „grüne“ Bremsentechnik, die mit dem Kendrion-eigenen greensigned-Label ausgezeichnet wurde, bringt damit vielfältigen Nutzen.

Über Kendrion
Kendrion N.V. Ist ein global führender Hersteller von Elektromagneten und elektromagnetischen Komponenten. Der Geschäftsbereich Industrial Drive Systems (IDS) entwickelt und produziert elektromechanische Bremsen und Kupplungen für die industrielle Antriebstechnik. Typische Anwendungsbereiche finden sich überwiegend in den Bereichen Roboter- und Automatisierungstechnik, Werkzeug- und Produktionsmaschinenbau sowie Medizintechnik und Fördertechnik. Die Beschäftigung mit Elektromagneten hat ihren Anfang bereits im Jahr 1911, als der erst 20 Jahre alte Firmengründer Wilhelm Binder einen Traum verwirklichte und sich selbstständig machte. Heute, über hundert Jahre nach der Firmengründung, ist die Kendrion GmbH in Villingen-Schwenningen mit ihrem breiten Sortiment an Permanentmagnet- und Federdruckbremsen bestens für die Anforderungen und Aufgaben der Zukunft gerüstet. Die neu entwickelte Federdruckbremse KOBRA komplettiert das Portfolio, sodass für jede Applikation immer die optimale Lösung ausgewählt werden kann.

Alle Bilder: Kendrion (Villingen) GmbH

Dipl.-Ing. (FH) Jörg Heilmann

Global Sales Manager bei der Kendrion (Villingen) GmbH

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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